Cómo fabricar una mascarilla mediante impresión 3D

En la situación actual, en la que nos estamos enfrentando a una pandemia global debido a la propagación del coronavirus COVID-19, creemos que toda aportación y ayuda que se pueda prestar desde cualquier ámbito puede ser sumamente importante, y desde el sector de la impresión 3D están surgiendo iniciativas muy interesantes que creemos relevante difundir.

Durante los últimos días son frecuentes las noticias sobre la escasez de mascarillas, un equipo de protección básico, especialmente para los profesionales sanitarios, pero también para otras personas que, por su trabajo u otras circunstancias, puedan estar más expuestas al virus.

Por ello, el equipo de Copper3D, fabricante del filamento antibacteriano PLActive, ha compartido el diseño de una mascarilla válida para su fabricación en prácticamente cualquiera impresora 3D FDM y cuyo archivo STL está disponible para su descarga de forma libre y gratuita:

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Imagen 1: Diseño de mascarilla NanoHack. Fuente: Copper 3D.

Esta mascarilla cuenta con las siguientes características:

• Antimicrobiano y antiviral, al ser fabricado con PLActive, un innovador nanocompuesto desarrollado con un PLA de alta calidad y un aditivo de nanocobre patentado, científicamente validado y altamente efectivo.
• Reciclable. El aumento de uso de máscaras quirúrgicas de un solo uso y respiradores tendrá un efecto perjudicial sobre el medioambiente. Para evitar este efecto perjudicial en el ecosistema, al utilizar el filamento PLActive para su impresión se está consumiendo un material reciclable.
• Patrón plano, para facilitar su fabricación de forma masiva y en prácticamente cualquier impresora 3D FDM.
• Sistema modular de filtración. La mascarilla incorpora un novedoso sistema modular de filtración de partículas finas fabricado con un material que utiliza nanocompuestos de cobre comprobados para desactivar virus. Este sistema de filtración incluye varias capas con diferentes geometrías para proporcionar una filtración efectiva de partículas finas. Además, puede alojar materiales de filtración de terceros, como propileno no tejido, esponjas o textiles.
• Capacidades de termoformación a 55 - 60 ºC, que permite dar la forma correcta de la anatomía de cualquier cara simplemente usando un secador de pelo o agua tibia.
• Control de la filtración y toma de aire. El uso prolongado de respiradores ha demostrado reducir la capacidad pulmonar. Estos respiradores de un solo uso no permiten la regulación de la entrada de aire o el tamaño de partícula. Esta mascarilla incorpora un disco de filtración modular que puede regular eficazmente la entrada de aire y el tamaño de partícula. Este sistema puede personalizarse mediante el uso de propileno de filtración no tejido, ropa, esponjas y diferentes textiles para reducir el nivel de filtración.

La impresión 3D y el ensamblaje de la mascarilla son muy sencillos, pero es importante seguir las siguientes instrucciones para un uso seguro:

1. Imprimir las piezas con un 20 % de relleno, sin soporte ni balsas. Cada mascarilla consume unos 40 gramos de filamento, por lo que con una bobina de 750 gramos de PLActive se podrán imprimir unas 17-18 mascarillas.
2. Calentar la mascarilla a 55 - 60 ºC con un secador de pelo o agua caliente. La parte circular debe que estar intacta, por este motivo es más gruesa para así evitar deformaciones.
3. Al ablandar, juntar las alas de la nariz y las alas de ajuste ubicadas en la mandíbula inferior.
4. Calentar nuevamente y colocarlo en la cara para ajustarlo totalmente a cada fisonomía.
5. Introducir uno o dos filtros adicionales. Si se usa un filtro, se puede usar una pieza circular (simple o doble) de una máscara convencional de propileno no tejido (A) o agregar una almohadilla desmaquillante de algodón (B), ajustándolos bien a la ventana del sistema de filtración. Se puede regular el filtrado y el flujo de aire con combinaciones de estos elementos.
6. Añadir los elásticos para su sujeción.

Imagen 2: Instrucciones de montaje NanoHack. Fuente: Copper 3D.

Otra opción sería utilizar el filamento antibacteriano flexible MD¹ Flex, también fabricado por Copper3D, que al ser flexible, la mascarilla impresa no necesitarìa ser calentada para su adaptación.

Por otra parte, se debe tener en cuenta que esas máscaras, aunque sí son efectivas, tienen ciertas limitaciones, como un ciclo de vida corto (aproximadamente 8 horas). Los virus respiratorios, específicamente el SARS-Cov-2 (COVID-19) pueden vivir hasta 72 horas en diferentes superficies, porque al final del día tendríamos una alta carga viral/bacteriana atrapada a tan solo unos milímetros de nuestra nariz y boca, exponiéndonos aún más a estos peligrosos microbios.

Cabe agradecer al proyecto NanoHack y a su equipo de científicos y diseñadores industriales de Estados Unidos y Chile por poner a disposición de la sociedad tanto la descripción como los planos de su patente.

ACTUALIZACIÓN (20 de marzo): Copper3D ha publica una comunicación para resolver dudas sobre las certificaciones y usos de Nanohack. Ver publicación

ACTUALIZACIÓN (21 de marzo): Nueva comunicación de Copper3D, donde afirma que la eficiencia de filtración de Nanohack es del 96.4 % para microorganismos de 1 micra y de 89.5 % para microorganismos de 0.02 micras. Además, detalla las especificaciones y configuraciones para la correcta impresión de Nanohack en prácticamente cualquier impresora 3D FDM. Ver publicación

NanoHack 2.0

Recientemente, el equipo de Copper3D ha compartido un nuevo diseño de mascarilla: NanoHack 2.0.

A diferencia de otros conceptos, NanoHack 2.0 está compuesto por una estructura monobloque, fuerte y hermética, que se debe imprimir en 3D con PLActive para proporcionar la máxima protección contra el entorno externo. Para conseguir que la mascarilla sea hermética, la estructura se sella con un borde impreso en 3D con MDFlex, un TPU antimicrobiano.

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Imagen 3: Diseño de mascarilla NanoHack 2.0. Fuente: Copper 3D.

Consideraciones técnicas

La mascarilla NanoHack es un dispositivo creado con el propósito de ofrecer protección contra partículas en el aire y evitar la propagación de líquidos que contaminan las vías respiratorias.

A través de estudios acerca de la eficacia de las mascarillas caseras, se ha demostrado que los materiales de filtración de NanoHack (polipropileno no tejido, el mismo material utilizado en mascarillas quirúrgicas), logra una eficiencia de filtración del 96.4 % para microorganismos de 1 micra y del 89.5 % para microorganismos de 0.02 micras.

Según un estudio de la FDA de Estados Unidos, el diseño de las mascarillas quirúrgicas comunes no permite una protección completa contra gérmenes y otros contaminantes debido a un ajuste no óptimo. Además, las mascarillas quirúrgicas son dispositivos de un solo uso que se deben desechar de forma segura. Las autoridades sanitarias recomiendan colocar estos artículos en una bolsa de plástico y tirarlos a la basura, así como lavarse las manos después de manipular la mascarilla usada. Investigaciones publicadas previamente han indicado que la alta carga viral que queda en las máscaras quirúrgicas y los respiradores puede ser una fuente de transmisión viral tanto para la persona que usa la mascarilla o los respiradores como para otros. Esto puede suceder cuando los sanitarios tocan su mascarilla y luego no se lavan las manos adecuadamente o cuando se deshacen de la máscara sin las precauciones de eliminación adecuadas. Además, los patógenos que se desprenden de los respiradores quirúrgicos a los pacientes en el quirófano aumentan el riesgo de infecciones nosocomiales (infecciones adquiridas durante la estancia en un hospital). Por todos estos motivos, la mascarilla NanoHack utiliza un polímero reciclable y biocompatible que contiene un nanocompuesto de cobre que ha mostrado propiedades antimicrobianas: PLActive.

Acerca de la actividad antimicrobiana del cobre, se puede decir que éste inhibe las capacidades de replicación y propagación del SARS-CoV, Influenza y otros virus respiratorios. Esto se debe a que tienen un alto potencial antimicrobiano (antiviral y antibacteriano).

Imagen 4: Actividad antiviral del Cobre. Fuente: Copper 3D.

Así, como el cobre puede inactivar virus como SARS-CoV, virus de Influenza, H1N1, y elimina bacterias peligrosas como Staphylococcus aureus, Escherichia coli o Listeria entre otras, después de un corto período de exposición. Los filamentos PLActive y MDflex del fabricante Copper3D podrían ser una estrategia complementaria efectiva y de bajo coste para ayudar a reducir la transmisión de varias enfermedades infecciosas mediante limitación de la transmisión infecciosa nosocomial.

NanoHack fue concebido como una mascarilla facial antimicrobiana apta para impresión 3D en FDM y fabricada con materiales activos. Para su montaje se deben utilizar filtros activos de polipropileno no tejido (3 capas) para obtener una protección adicional contra los microorganismos.

Imagen 5: Diseño de filtros mascarilla NanoHack 2.0. Fuente: Copper 3D.

Según el estudio de Borkow G. (Virus neutralizantes en suspensiones mediante filtros a base de óxido de cobre. Agentes antimicrobianos y quimioterapia), un filtro de tela no tejida impregnado con óxido de cobre es capaz de generar filtración de virus de diferentes tipos, incluidos los virus respiratorios. Para lograr una protección óptima frente al entorno, se recomienda utilizar el filtro de polipropileno no tejido de triple capa con nanocompuestos de cobre desarrollado por The Copper Company.

Imagen 6: Tabla de reducción de carga viral con los filtros con partículas de cobre.. Fuente: Copper 3D.

Imagen 7: Escaneo de imágenes de microscopio electrónico de las fibras de polipropileno impregnadas con óxido de cobre. Fuente: Copper 3D.

En caso de no tener acceso a este tipo de filtro, un estudio de Anna Davies analiza la eficiencia de filtrado de diferentes materiales como filtros de aspiradora y fibras como el algodón o la seda:

Imagen 8: Tabla de efectividad de distintos materiales como filtro. Fuente: Copper 3D.

Recomendaciones de uso

El objetivo de NanoMask 2.0 es ofrecer a la población protección contra las partículas en el aire y evitar la propagación de aerosoles líquidos que podrían contaminar las vías respiratorias. Se debe tener en cuenta que no es una máscara N95. Es una mascarilla facial y no debe considerarse como un EPI homologado.

En relación a los profesionales de la salud, este dispositivo se debe utilizar como último recurso: No se deben manipular intubaciones, ventilación mecánica o realizar broncoscopias o procedimientos similares.

Esta mascarilla está diseñada para ser usada en espacios comunes, durante un máximo de 8 horas, y cambiar el filtro no tejido una vez al día. Después de manipular el filtro activo, se deben lavar las manos y seguir las precauciones recomendadas por las autoridades sanitarias.

Los consejos de limpieza para NanoMask son los siguientes:

1. Lavado: Se debe lavar el dispositivo con agua y jabón.
2. Enjuague: Una vez lavado, se debe enjuagar bien con agua limpia.
3. Desinfección: Se debe desinfectar el equipo para inactivar cualquier patógeno restante. Para ello, se debe utilizar desinfección química, no utilizar autoclave, ya que PLActive no tolera 80 ºC o más. A continuación, se muestran los métodos químicos y germicidas más accesibles:
   1. Método 1: el alcohol es eficaz contra el virus de la gripe. El alcohol etílico (70%) es un potente germicida de amplio espectro y generalmente se considera superior al alcohol isopropílico. Como el alcohol es inflamable, se debe limitar su uso como desinfectante de superficies a superficies pequeñas y se debe utilizar solo en espacios bien ventilados. El uso prolongado y repetido de alcohol como desinfectante también puede causar decoloración, hinchazón, endurecimiento y agrietamiento del caucho y ciertos plásticos.
   2. Método 2: la mayoría de las soluciones de lejía doméstica contienen hipoclorito de sodio al 5% (50,000 partes por millón de cloro disponible). Dilución recomendada: la dilución 1: 100 de hipoclorito de sodio al 5 % es la recomendación habitual. Use 1 parte de cloro por 99 partes de agua fría del grifo (dilución 1: 100) para desinfectar las superficies. Ajuste la proporción de lejía a agua según sea necesario para lograr la concentración adecuada de hipoclorito de sodio. Por ejemplo, para las preparaciones de lejía que contienen hipoclorito de sodio al 2.5 %, use el doble de lejía (es decir, 2 partes de lejía por 98 partes de agua).
4. Enjuague: Si se utiliza desinfección química, se debe enjuagar con agua estéril o limpia (es decir, agua hervida durante 5 minutos y enfriada). Se prefiere el agua estéril para enjuagar el desinfectante químico líquido residual de un dispositivo respiratorio que ha sido desinfectado químicamente para su reutilización, porque el agua corriente o destilada puede albergar microorganismos que pueden causar neumonía. Sin embargo, cuando no es posible enjuagar con agua estéril, enjuague con agua corriente o agua filtrada (es decir, agua que pasa a través de un filtro de 0.2 μ). Se recomienda la desinfección por inmersión con un tiempo de contacto de 30 minutos.
5. Secado: Seguir el paso anterior mediante un enjuague con alcohol y secado al aire forzado.
6. Almacenado: Finalmente, se debe almacenar el equipo seco en paquetes cerrados.

NanoHack 2.2

Recientemente, Copper 3D ha lanzado una actualización de la mascarilla NanoHack 2.0; la NanoHack 2.2.

Al igual que su predecesora, la NanoHack 2.2 se compone de una estructura monobloque. En esta nueva versión, las paredes están compuestas por 3 capas y se reducen los ángulos para fortalecer la estructura del dispositivo. Además, se ofrecen dos opciones para la estructura del filtro interno: Voronoi o Gyroid.

El tiempo total de impresión de NanoHack 2.2 es de 4 horas y media.

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Imagen 9: Diseño de mascarilla NanoHack 2.2. Fuente: Copper 3D.

Se debe tener en cuenta que las mascarillas NanoHack 2.0 y NanoHack 2.2 están diseñadas para ajustarse a una cara de 12 cm de altura, medido desde la punta de la barbilla hasta el plano ocular (una línea horizontal que pasa justo entre los ojos) y una distancia entre los pómulos (medido directamente sobre la nariz) también 12 cm. Si su cara es más pequeña o más grande que estas medidas, se sugiere cambiar el tamaño del modelo en un 5% o 10% para que se ajuste perfectamente a su cara.